طول عمر کابل ها
شـرکت‌های کابل‌سـازی، کابل‌هـا را بـرای مصارف نصـب بیرونی طراحی نمـوده و مـواد اولیه مناسـبی را انتخاب می‌نمایند تا در شـرایط عملیاتی محیطـی و معمـول، کابـل بـا طول عمـر تا 40 سـال کار کنـد. طراحی انجـام شـده برای تخریـب حداقل اجزای کابـل و عملکرد قابـل اعتماد در طـول ایـن مـدت زمـان اسـت. تمـام کابل‌هـا بـه صورتـی طراحـی می‌شـوند تـا فیبرهـای نـوری در حیـن نصـب حداقل فشـار کششـی و همچنیـن بـه هنـگام بهره‌بـرداری در دراز مـدت، کمتریـن نیـروی بار را تجربـه کنند.
علاوه بر ایـن، کابل‌های تکمیل شـده، تحـت انجـام آزمایش‌های دقیق پیرسـازی قـرار می‌گیرنـد و عملکـرد آن بـرای سـال هـای آتـی پایش مـی شـود. یکـی از ایـن آزمون‌هـا اسـتاندارد TIA-FOTP-3 (روش اندازه‌گیـری اثـرات چرخـه دمـا بر روی فیبرنـوری، کابل نـوری و دیگر قطعـات تأثیر پذیر فیبر نوری است). این آزمـون بر روی ویژگی‌های ذاتـی مـواد پلاستیکی کـه خـواص و ابعـاد آنها با گذشـت زمـان تغییر میکنـد، صـورت می‌گیـرد بـا توجه بـه اینکه که ایـن تغییرات، وابسـته بـه زمـان و دمـا اسـت، فراینـد پیرسـازی را می‌تـوان تسـریع نمـود تـا اثـرات دراز مـدت را بـا انجـام آزمـون در کوتاه مدت پیش بینـی نمود.
به طـور خـاص، کابـل بـه مدت طولانی در معرض دمای بسـیار بالا (85 درجـه سـانتیگراد) قرار می‌گیـرد. پـس از تکمیل آزمایش، اجـزای کابل نبایـد علائم تخریبـی را نشـان داده و فیبرهـای نـوری تغییـر تضعیـف بسـیار کمـی داشـته باشـند. در نتیجـه ایـن الزامـات شـدید، کابل‌های فیبرنـوری معتبـر الزامـات اسـتانداردهای صنعتـی پذیرفتـه شـده (RDUO-PE-90, Telecordia-GR-NWT-00002, ANSI-ICEA-S-87-640-2006) که برای پایــش کابــل اسـتفاده می‌شـود را تأمیـن می‌نماینـد. علاوه بـر این، بـرآورد طول عمـر کابل هـا معمولا بـر پایه طـول عمر محصولات نصــب شـده فعلی اسـت. کارخــانه‌های تولیـــدی دارای کابل‌هـای فیبرنـوری هستند کـه بیش از 30 سـال در زیر بـار مداوم بوده‌انـد. قـرار گرفتـن در معـرض آلودگـی محیـط خـارج از کارخانـه، شـرایط محیطـی نامطلـوب یـا مـواد/ محلول‌هـای خورنـده، می‌توانـد عمـر مفیـد کابـل را محـدود کند.
کابل‌هـای نـوری بـرای اولیـن بـار در سـال 1977 بـه طور تجـاری به کار گرفتـه شـد. بنابرایـن، شـناخت مـا از عملکرد آنها در ایـن زمینه 39 سـال اسـت و اطلاعاتی کـه در اینجـا ارایـه می‌شـود، احتمالی اسـت. بـا ایـن حـال، چگونه می‌تـوان از دانش انباشـته خـود در ایـن زمینه در کنار پیرسـازی تسـریع شـده، اسـتفاده کـرد تا بتـوان میـزان پایایی 50 تـا 60 سـاله را بـرای کابل‌هـای نـوری بـرآورد نمود؟
قابلیت اطمینان به سه دسته اصلی تقسیم می‌شود:
- پایایی مکانیکی (آیا فیبر در طول عمر کابل شکسته خواهد شد؟)
- پایایی نوری (آیا فیبر در طول عمر کابل تاریک خواهد شد؟)
- پایایـی پهنـای بانـد(آیـا فیبـر دارای ویژگیهـای لازم بـرای کار در شـبکههای فـرداست؟)
جداسـازی پایایـی فیبرنـوری از کابـل نـوری بـه دلیـل ارتبـاط دوطرفه بسـیار سـخت اسـت، امـا در اینجا به طـور عمـده بـر روی ویژگی‌های فیبـر تمرکـز می‌کنیـم. در ارزیابـی پایایـی نـوری، بایـد رونـد عمومـی انتقـال نـوری در نظـر گرفتـه شـود. روند کلـی حرکت به سـمت انتقال اطلاعات بیشـتر بـر روی فیبرنـوری اسـت. رونـد کابل‌هـای نـوری به سـمت کابل‌هـای بـا فیبـر بیشـتر و در ابعـاد کوچکتـر اسـت کـه موجب افزایـش نیـروی نهفتـه بیشـتر در هـر یـک از فیبرهای نوری می‌شـود. روند سیسـتمی نیز به سـمت اسـتفاده بیشـتر از طیف نوری اسـت و در نتیجـه کنتـرل تضعیـف در نزدیکـی قلـه آب (Peak Water – طـول مـوج 1383 نانومتـر بـه عنـوان طـول مـوج رزونانـس آب) و در طـول موج‌هـای بالاتر (1550 – 1625 نانومتـر) مطلـوب اسـت تا بیشـترین فرصـت بـرای ارتقـای پهنـای بانـد فراهـم شـود. گرایـش بـه سـرعت انتقـال بالاتر، توجـه بـه دیسپرشـن مـد قطبی و نحـوه کاهـش آن در شـبکههای نسـل بعـدی را افزایـش داده اسـت.
تعهـد بـه فنآوری‌های سـبز، تأکیـد بیشـتری بـر فرمت‌هـای انتقـال نـوری بـا مصـرف تـوان پاییـن بـرای حفـظ انـرژی و طراحـی کابل‌هـای نـوری کوچکتـر برای صرفه‌جویـی در مصـرف و حفـظ مـواد اسـت و بایـد اطمینـان حاصـل نمـود کـه مـواد مـورد اسـتفاده حداقـل تأثیـرات را بـر محیـط زیسـت داشـته باشند.
پایایی مکانیکی
عمـده کارهـای تحقیقاتـی جهـت سـنجش پایایـی مکانیکـی کابل‌هـا، عمدتـا بـا توجـه بـه اسـتاندارد IEC-TR62048 ( فیبر نـوری – پایایی – نظریـه قانـون قـدرت) انجـام شـده اسـت. اکثـر کارهای انجام شـده بـرای پیش بینـی پایایـی فیبرهـا براسـاس شناسـایی و مطالعـه ترک‌ها و سـایر زایده‌هـای ریـز در شیشـه اسـت کـه هنـگام تحـت فشـار قراردادن آن، رشـد میکنـد. بـرای ایـن پیش بینی‌هـا، درک توزیـع اولیـه ایـن ترک‌هـا و سـپس تعییـن اینکـه چگونـه بـا زمـان تغییـر میکنـد، ضروری اسـت. برآوردهـا بـرای پایایـی سـنجی فیبـر براسـاس توزیـع ترک‌هـای فیبر اسـت، کـه مربـوط بـه دو بخـش اسـت :
“اسـتحکام درونـی” قـوی و “اسـتحکام بیرونـی” ضعیف‌تـر. بخـش درونـی، مشـخصه طول‌هـای کوتـاه فیبـر اسـت کـه در خم‌هـای محکـم خـود را نشـان می‌دهـد و می‌تـوان بـا آزمایـش مقـدار کمـی فیبـر، آن را تعییـن نمود. اسـتحکام درونـی بـه نـوع شیشـه‌ای کـه مـورد اسـتفاده قـرار می‌گیـرد، بسـتگی دارد و مقـدار متوسـط آن معمولا بـرای فیبرهـا بیشـتر از kpsi 600 اسـت. توزیـع اسـتحکام بیرونـی، ترک‌هـای بزرگتری اسـت که البته کمتـر اتفـاق می‌افتنـد و نتیجـه آن “آسـیب پذیـری” خارجـی فیبر در طـول فرآینـد اسـت. حداکثر اندازه تـرک مجاز، در آزمایش پروف تسـت فیبرهـای نـوری تعییـن می‌شـود. بـر روی فیبرهـای نـوری فعلـی تـا kpsi 100 پـروف تسـت انجـام می‌شـود کـه نشـان دهنـده ترک‌هایی بـا ابعـاد 1/2 میکـرون یا بزرگتر اسـت.
درک گـذار بیـن بخش‌هـای درونـی و بیرونـی برای تعییـن طول عمر فیبـر طویـل تحـت تنـش، ضـروری اسـت. فیبرهـای نـوری مـدرن با سـلیکای مصنوعـی یـا کوارتـز طبیعی بـا خلـوص فوق‌العاده بالا تولید می‌شـوند. ایـن مـواد دارای ترک‌هـای بسـیار کمـی هسـتند (در کوارتز مصنوعـی هـر گونـه ناخالصـی را می‌توان از بیـن برد). اکثـر ترک‌های بزرگتـر در فیبـر، در حیـن فرآینـد رشـد می‌یابنـد و تعـداد مـوارد بـروز آنهـا، نشـان دهنـده کیفیـت برتـر تولیدکننـده اسـت. نـرخ شکسـت فیبـر، در پـروف تسـت از نظـر صنعتـی، رو بـه کاهـش اسـت. بـه این ترتیـب شکسـت فیبـر در 1000 کیلومتر تسـت، بـه صورت نـادر اتفاق می‌افتـد. پـروف تسـت تنهـا بخـش محـدودی را مشـخص میکنـد.
از سـوی دیگـر، آزمون‌هـای اسـتحکام درونـی در طـول مسـیر کوتـاه انجـام می‌شـود و در نتیجـه تنهـا بـرای 100 متـر و حداکثـر تـا چنـد کیلومتـر اعتبـار خواهـد داشـت، در حالـی کـه محـدوده فاصلـه نصب کابل‌هـای نـوری عمومـا از چنـد متر تا صدهـا کیلومتر اسـت، و بنابراین درک ایـن واقعیـت ضـروری اسـت. رویکـردی کـه ایـن دو مجموعـه داده را مرتبـط میکنـد، معادلـه پایایـی قـدرت اسـت که در اسـتاندارد IEC-TR62048 ارائـه شـده اسـت. معادلـه‌ای کـه ایـن پارامترهـا را مرتبـط می‌سـازد بـه صـورت زیـر می‌باشـد.
پایایی نوری
در عـرض 30 سـال کـه از نصـب کابـل نـوری تجـاری می‌گـذرد، چنـد مکانیسـم منجـر بـه کاهـش عملکـرد نـوری فیبرهای شیشـه‌ای شـده اسـت. اولیـن آن، اتلاف ناشـی از ریزخم‌هـا بـوده، دومیـن آن، فرسـودگی ناشـی از هیدروژن است و سـومی، حساسـیت در مقابل تابش اسـت.
تلفـات ناشـی از ریزخم‌هـا در فیبـر تک مـد رخ می‌دهد، آن هـم زمانی کـه آشـفتگی‌های کوچـک عرضی در محـور فیبر، باعث انتقـال انرژی از مـد اصلـی بـه مدهـا بـا مرتبـه بالاتر و تلـف شـدن آن، می‌شـود. ریزخم‌هـا اگـر بـه طور متنـاوب در طول محـور فیبر اتفـاق بیفتند حتی زمانـی که انـدازه اختلالات در مقیاس نانومتر اسـت ممکن اسـت تلفات قابـل توجـه نـور رخ دهد. وابسـتگی طیفـی تلفات ریـز خم‌ها بـا توزیع محـوری آشـفتگی‌ها متفاوت اسـت. ریزخم‌هـا زمانـی رخ می‌دهـد کـه نیروهـای غیـر یکنواخـت بـه فیبـر اعمـال شـوند.
ایـن پدیـده می‌توانـد ناشـی از تغییـرات دمـا باشـد کـه موجـب انبسـاط و انقبـاض کابـل شـده و یـا باعـث تـورم پوشـش فیبر یـا مـواد کابـل می‌گـردد، زیـرا آنهـا بـا محیـط خارجـی واکنش نشـان می‌دهنـد. الیــاف و کابل‌هـا در معــرض آزمــون چرخــه دمایــی قرار می‌گیرنـد تـا تأثیر شـرایط اولیه بررسـی و در معرض رطوبـت بالا، آب مایـع، حلال‌ها و غیـره قـرار می‌گیرنـد تـا در شـرایط ثانوی نیـز مورد پایـش قـرار گیرند. ایـن آزمایش‌هـا در اسـتانداردهای IEC و همچنین در مشـخضات Telcordia-GR-20 شـرح داده شـده اسـت. این آزمون‌های پیرسـازی تسـریع شـده، عملکرد کابل را در حال حاضر نشـان می‌دهـد و در عیـن حـال به هنـگام اعمال نیروهـای غیرمعمول کهنگـی در الیـاف نـوری می‌تـوان تغییـرات در خصوصیـات کابـل را در طـول زمـان دیـد. بـرای بـه حداقـل رسـاندن تأثیـر پیـری بـر روی تضعیـف، مـواد اولیـه کابـل به خوبـی توسـعه یافته‌اند و آزمـون رطوبت دمـا بـرای پایایـی سـنجی و اطمینـان از نقـش حفاظتی مـواد مصرفی بـر عملکـرد فیبـر نـوری است. پیرسـازی در دماهای بالا و سـطوح بالاتر رطوبـت، تسـریع شـده و می‌توانـد بـه درک درسـتی از عملکـرد بلنـد مـدت مـواد کابـل کمک کنـد.
هنـگام انجام ایـن آزمایش‌هـا باید مراقـب باشـید کـه مکانیسـم‌های تخریـب در دماهای بالا فعال نشـوند و گرنـه بـرآورد طـول عمـر کوتاه غیـر واقعی خواهـد بود. پیرسـازی در محیـط هیـدروژن چالشـی اسـت کـه همـه سـازندگان فیبرنـوری از قبـل از سـال 2000 بـا آن مواجـه بوده‌اند. در ایـن فرآیند، هیـدروژن بـا ایجـاد گروه‌هـای OH واکنــش نشــان می‌دهــد. اگـر عامـل OH در محـــل عبــور نــور در فیبــر شـکل بگیـرد، تضعیف بـه آرامـی افزایـش می‌یابـد و در برخـی مـوارد بـا افزایـش بیـش از حـد تضعیـف، فیبرنـوری غیرقابـل اســتفاده می‌شــود. مشخصــات ITU-T-G.652D بـرای رسـیدگی بـه ایـن فرآینـد تخریـب، توسـعه داده شـد و امـروزه بیشـتر فیبرهـای نـوری، ایـن مشـخصات را برآورده می‌کننـد و باعـث کاهـش نگرانـی در مورد اثـرات پیرسـازی هیدروژن شـده‌اند.
بـا 30 سـال اسـتقرار کابل‌هـای نـوری و بـا فـرض ایـن کـه هـر اثـر تخریـب بـا دو برابرشـدن زمــان دو برابـر خواهد شـد، می‌تـوان فرض کـرد کـه بـه غیـر از اثر هیـدروژن، بعید اسـت کـه تخریـب جدیدی در عملکـرد نـوری کـه منجـر به افزایـش بیـش از چند صدم دسـی بل در هـر کیلومتـر در طـول کابل نـوری شـود، ببینید. قـرار گرفتـن فیبرهای نوری دوپ شـده با ژرمانیـوم در معرض دوزهای کـم تابـش یونیـزه می‌تواند باعث ایجاد نقایص در سـاختار اتمی شیشـه شـود کـه منجر به افزایـش تلفات جذب می‌شـود آزمون تابـش در حال حاضـر در نـرخ بالا و در فواصل زمانـی کوتاه انجام می‌شـود. نتایج این آزمون‌هـای تسـریع دهنـده، برای بـرآورد افزایش آسـیب پذیری فیبر در طـول عمـر مفید تخمین زده شـده هنگام قرار گرفتـن در معرض تابش در سـطوح پایـه معمـول اسـتفاده می‌شـود. ایـن حـوزه هنوز ناشـناخته اسـت زیـرا ما اسـتفاده از کابل‌های نوری نصب شـده، بـرای مدت زمانی کـه در آن تابـش بایسـتی بـر تضعیـف فیبـر اثـر گـذار باشـد را تجربـه کرده‌ایـم، امـا بـا کابل‌هـای 30 سـاله بـه ظاهر مناسـب مواجه هسـتیم، فـرض بـر این اسـت کـه دوبرابر شـدن ممکن اسـت هنوز هـم منطقی باشـد امـا ایـن حـدس و گمـان اسـت. رجـوع بـه اسـتاندارد IEC-TR-62283ED1، راهنمایـی بـرای آزمایش‌هـای تشعشـع هسـته‌ای بـر روی فیبرهـای نـوری که هنـوز هـم قبـل از پیش بینی‌های دقیـق، مورد نیاز اسـت.
پایایی پهنای باند
یـک امر مسـلم در سیسـتم‌های نـوری، این اسـت که با گذشـت زمان، پهنـای بانـد بیشـتری بـر روی هـر فیبـر بـکار گرفته شـده اسـت. این کار بـا اسـتفاده از سـرعت‌های انتقـال بالاتر و در طـول موج‌هـای بیشـتر انجـام می‌شـود. در سـرعت‌های انتقـال بالاتر، حالـت پراکندگی پلاریزاسیون (PMD) یـک پارامتر حیاتی اسـت. اگر چـه، چندین فرمت جدیـد انتقـال بـرای بـه حداقـل رسـاندن تأثیـر PMD ارایـه شـده‌اند، اما این روش‌هــا پرهزینــه هســتند. به طور کلی PMD پاییــن‌تر در فیبرنـوری عملکرد سیسـتم را بهبود می‌بخشـد. اسـتاندارد فعلیITU-T بـرای کابـل نـوری، مقـدار ایـن پارامتـر را (sqrt/ps ۰/۲۰) علام نمـوده اسـت و در برخـی از مشـخصات اپراتورهـای بـزرگ اروپـا مقدار (km sqrt/ps) ۰/۱ یـا کمترتعییـن شـده اسـت. در سیسـتم‌های جدید 100 گیـگا بـا توجـه بـه انتخاب فرمـت انتقال حساسـیت موجـود برای ایـن پارامتـر کاهش یافته اسـت. با اسـتفاده از اسـتقرار پمپاژ رامان و سیسـتم DWDM ،طول موج‌های بیشـتری نسـبت به قبل برای انتقال در دسـترس هسـتند و در نتیجه به احتمـال زیـاد، بـا گذر زمـان، طیف نوری بیشـتری در دسـترس خواهد بـود.
دو ناحیـه مهـم مـورد توجه یکـی در نزدیکـی 1383 نانومتراسـت کـه می‌تـوان آنهـا را بـا اسـتفاده از اسـتقرار فیبرهـای G652D کـه دارای قلــه آب پایین یا صــفر (Low or zero Water peak) هستند بـکار گرفـت و دیگـری در طول موج هـای فراتر از 1550 نانومتر اسـت کـه خـم شـدن می‌توانـد بـر عملکـرد تأثیـر بگـذارد. بـه شـدت توصیه می‌شـود کـه تمـام اتصالات نوری نصـب شـده در 1625 نانومتر مانیتور و بررسـی شـوند تـا اطمینـان حاصل شـود که نصـب برای ارتقـاء طول موج‌هـای آینـده آماده اسـت.
خلاصه
مواد تشـکیل دهنـده کابل نوری بـرای حفظ فیبرهای نـوری موجود در آنهـا بـه صـورت مناسـب انتخاب می‌شـوند. این مـواد برای بـه حداقل رسـاندن اثرات محیط خارجی بر روی فیبرهای شیشـه‌ای، توسـعه داده شـده‌اند. بـرای فیبرهـای نـوری، سـه دسـته پایایی مـورد بررسـی قرار گرفته‌اند:
- پایایی مکانیکی
- پایایی نوری
- پایایی پهنای باند
کابل‌هـای مـدرن بـرای بـه حداقـل رسـاندن تأثیر همـه این دسـته‌ها، در طـول سـال‌ها توسـعه یافته‌انـد، امـا وقتـی که بـه پرسـش از پایایی 50 سـاله نـگاه می‌کنیـم، چنیـن دسـته‌بندی‌هایی بـرای رسـیدگی بـه ایـن مشـکل دشـوار اسـت، زیـرا مـا نیازمنـد اسـتخراج و تکیـه بـر اطلاعات 30 سـاله هسـتیم و بایـد بـرای آینـده امیـدوار باشـیم.
در حـال حاضـر و در مـورد سیسـتم‌های انتقـال فعلـی، پایایـی پهنـای بانـد موضـوع جـدی نیسـت؛ از سـوی دیگـر، نگرانـی این اسـت که در 50 سـال آینـده چـه خواهـد شـد. بیشـتر مکانیـزم های اولیه شکسـت مرتبـط بـا پایایـی نـوری بـا بهبود مـواد مـورد توجه قـرار گرفته‌انـد. بر اسـاس آنچـه کـه امـروز می‌دانیـم بعیـد اسـت هـر تخریـب عمـده‌ای (بیـش از چندصـدم دسـی بل در کیلومتـر) در مدت زمانی 50 سـال رخ دهـد، امـا تـا زمانی که مـا به مدت طولانی و در معرض سـایر تأثیرات قـرار نگرفته‌ایـم و بـه طـور کامل اثر سـایر عوامـل (ماننـد دوره زمانی طولانی، سـطح تابـش پاییـن) را ندانسـته‌ایم، نمی‌تـوان بـا اطمینـان سـخن گفت. بـرای فیبرهایـی که برای 50 سـال به کار گرفته شـود، قابلیت اطمینان مکانیکـی ممکـن اسـت بزرگترین چالش باشـد. شکسـته‌ای تصادفی فیبرهـا در کابل‌هـای نـوری کـه پـس از نصـب اولیـه رخ می‌دهد، یک اتفـاق نـادر اسـت.
بنابرایـن، برآوردهـای محافظـه کارانـه که مـا برای پیش بینـی وقـوع آن اسـتفاده می‌کنیـم، سـازگار بـا پایـگاه اطلاعات مشـاهده شـده ما از فیبرهای نصب شـده اسـت. متأسـفانه، معادلات به مـا نشـان می‌دهـد کـه هنگامی کـه خرابـی رخ می‌دهـد تعـداد خرابی بیشـتری را بایـد انتظار داشـت. بزرگترین چالش، وجـود طول‌های کوتاه فیبـر در محیـط کنترل نشـده در محفظه‌های اتصال و یا مفصل‌هاسـت. در اینجـا فرسـودگی فیبـر، نتیجه مسـتقیم تنش‌های درونی فیبر اسـت. درک بیشـتر از ایـن محل بحرانی می‌تواند، بیشـترین بینـش را در مورد اینکـه چگونـه فیبرهـای نوری را می‌تـوان در یک دوره زمانی 50 سـاله حفظ نمـود، فراهـم می‌کند.
این مقاله توسط مهندس محمدعلی مساواتی نوشته شده و در مجله سیم و کابل منتشر شده است.
